Рекомендовано к изданию Научно-техническим советом БНТУ
(протокол № 10 от 23 ноября 2012 г.)
Лаптёнок, С.А.
Системный анализ геоэкологических данных в целях митигации чрезвычайных ситуаций: монография / С.А. Лаптёнок – Минск:
БНТУ, 2013. – 286 с.
В монографии изложены результаты использования системного анализа геоэкологических данных как реализации системного подхода к митигации чрезвычайных ситуаций.
Издание предназначено для использования научными и административными работниками, инженерами и студентами широкого круга специальностей.
ИНФОРМАЦИИ ……………………………………... 1.1. Пространственная категоризация геоэкологических данных …………………………………………... 1.2. Интерполирование данных при анализе процессов, характеризующихся дефицитом информации 1.3. Оценка корреляционных связей демографических и эпидемиологических показателей ………………...
2. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ФАКТОРОВ НА СТРУКТУРУ
ЗАБОЛЕВАЕМОСТИ ………………………………... 2.1. Общая характеристика структуры заболеваемости в населенных пунктах с различными геоэкологическими условиями …………………………………... 2.2. Оценка ранговых корреляционных связей в структурах заболеваемости, наблюдаемых при различных геоэкологических условиях …………... 2.3. Оценка уровней конкордации в структурах заболеваемости, наблюдаемых при различных геоэкологических условиях ………………………………….
3. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ДИНАМИКИ ДЕМОГРАФИЧЕСКИХ И ЭПИДЕМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В РАЗЛИЧНЫХ
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ …………… 3.1. Анализ территориальной однородности средствами дискретного пространственного моделирования ………………………………………….
КОМБИНИРОВАННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ………. 4.1. Общая характеристика демографических и эпидемиологических показателей для различных геоэкологических условий ………………………………. 4.2. Формирование таблиц сопряженности на основе пространственной категоризации геоэкологических данных …………………………………………… 4.3. Анализ таблиц сопряженности методом расчета относительных значений …………………………….. 4.4. Анализ таблиц сопряженности методом логарифмов преобладания …………………………... 4.5. Анализ таблиц сопряженности методом приращения информации ……………………………
5. АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ЭПИДЕМИЧЕСКОГО
ПРОЦЕССА В РАЗЛИЧНЫХ
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ……………. 5.1. Первичная интерпретация характеристик преобразований данных при анализе динамических процессов ………………………………………………. 5.2. Дифференциальная оценка динамики методом восходящих и нисходящих серий …………………… 5.3. Анализ динамики с использованием аналитических свойств возвратных последовательностей … 5.4. Интегральная оценка динамики методом секвенциального анализа ……………………………………. ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………. ЛИТЕРАТУРА ………………………………………… Используемые источники …………………………… Публикации автора …………………………………... ПРИЛОЖЕНИЕ …………………………….…………
ПРЕДИСЛОВИЕ
Изучение взаимодействий природных процессов и явлений с процессами антропогенного происхождения как вероятных источников чрезвычайных ситуаций является одной из наиболее актуальных задач в условиях интенсивного развития индустриального общества.
Одним из наиболее значимых показателей социально-экономических условий жизни населения является состояние общественного здоровья. Основным признаком чрезвычайной ситуации является угроза жизни и здоровью человека.
Анализ эффектов комбинированных воздействия геоэкологических факторов на человека, состояние его здоровья, является в высшей степени значимой задачей как в социально-экономическом, так и в научном аспекте. Данное исследование посвящено оценке эффективности различных методологических и методических подходов для решения такого рода сложных системных задач.
Разнообразие возможностей применения результатов исследования определяет достаточно широкий круг специалистов, а также студентов и аспирантов, которым данная книга может быть полезна.
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное развитие производства и потребления в глобальном масштабе обусловило значительные количественные и качественные технологические изменения практически во всех отраслях деятельности человека. Повышение уровня сложности технических систем и технологических процессов приводит к росту вероятности различного рода отклонений, в том числе и опасных, то есть, к увеличению степени риска возникновения чрезвычайных ситуаций.
Чрезвычайной ситуацией является обстановка, сложившаяся на данной территории (на объекте, у человека), в результате возникновения источника ЧС, который может повлечь или повлек за собой человеческие жертвы, ущерб здоровью людей и (или) окружающей природной среде, значительные материальные потери [12].
Митигация (мitigation - смягчение, ослабление, облегчение, уменьшение, снижение) – совокупное понятие, под которое подходят все действия, предпринимаемые до наступления чрезвычайной ситуации, включая состояние готовности и долгосрочные меры по уменьшению риска, разработку и реализацию специфических проектов по снижению уязвимости населения.
Философия и методология митигации органично согласуется с разработанной в 80-90-х годах XX столетия членом-корреспондентом Национальной академии наук Беларуси Н.И. Аринчиным концепцией здравосозидания в Республике Беларусь. По А.Н. Аринчину здравосозидание представляет собой систему индивидуальных, государственных и международных мероприятий, направленных на вскрытие и ликвидацию источников заболеваний, формирование здоровья, долголетия и творческой жизнедеятельности каждого человека [4].
Очевидно, осуществление мер по снижению долгосрочного риска невозможно без достаточной информации о наличии факторов, его обусловливающих, и их адекватной оценки. Методология выявления и первичной оценки такого рода факторов для территории Республики Беларусь и явилась целью данной работы.
Значительная доля усилий и средств, направляемых на предотвращение чрезвычайных ситуаций и снижение тяжести их последствий, расходуются на митигацию техногенных и природных чрезвычайных ситуаций, характеризующихся высокими темпами распространения.
Значительно меньше внимания уделяется природным факторам, которые могут как потенцировать техногенные чрезвычайные ситуации, в том числе увеличивая тяжесть их последствий, так и становиться непосредственными источниками чрезвычайных ситуаций. Примером могут служить геологические, геофизические, геохимические, биологические и другие факторы, вызывающие эндемическое распространение физиологических аномалий и нозологических форм – эндемии тиреоидного зоба в зонах дефицита йода в почвах и водах и др. Поскольку такого рода процессы не характеризуются высокими темпами распространения, их, как правило, не относят к разряду чрезвычайных ситуаций. Очевидно, подобный подход является ошибочным, так как главный определяющий признак чрезвычайной ситуации – наличие угрозы здоровью (а часто и жизни) человека – в данном случае, бесспорно, присутствует.
28 февраля 2012 г по инициативе Министерства природных ресурсов Республики Беларусь было проведено рабочее совещание «Проблемы медицинской геологии Беларуси», в ходе которого обсуждались вопросы совместных исследований в области влияния геохимических и геофизических факторов на состояние физиологических систем организма человека в отдельных регионах Республики Беларусь. В данной работе предлагается системный подход к решению проблем выявления и оценки уровней рисков, связанных с проживанием в зонах с различными геофизическими и геохимическими характеристиками.
Белорусское государство активно пропагандирует и всемерно поддерживает ориентацию на здоровый образ жизни своих граждан.
Следующим шагом в данном направлении может стать внедрение системы мероприятий, направленных на снижение риска возникновения опасных заболеваний вследствие воздействия территориально обусловленных факторов, и основанных на системном анализе информации с использованием современных технических и программных средств.
1. ПЕРВИЧНЫЙ АНАЛИЗ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ
ИНФОРМАЦИИ
1.1. Пространственная категоризация Заболеваемость злокачественными новообразованиями является одной из наиболее острых проблем, возникающих в результате загрязнения территории радионуклидами. Исследования в данной области уже длительное время остаются актуальными во всем мире.
В частности, в ходе наблюдения за состоянием здоровья лиц, подвергшихся воздействию поражающих факторов ядерной бомбардировки в Японии, было установлено, что в данной группе имел место достоверный рост заболеваемости злокачественными новообразованиями различной локализации: лейкозов – через лет после бомбардировки, новообразований щитовидной железы – через 10, молочной железы и легких – через 20, желудка, ободочной кишки и миелом – через 30 лет [2].
Очевидно, что эффекты облучения ионизирующими излучениями являются только одним из ряда факторов, вызывающих рост заболеваемости злокачественными новообразованиями. В литературных источниках имеется информация о влиянии на данный процесс комплекса геофизических факторов, действующих в зонах расположения линеаментов – разломов земной коры [16,29].
Материалы исследований последних десятилетий свидетельствуют о том, что в земной коре континентального типа повсеместно наблюдается густая, построенная по решетчатому типу сеть субвертикальных разломов, дробящих земную кору на многочисленные блоки, размеры которых измеряются километрами или десятками километров. Наличие этой системы трещинно-проницаемых разломов устанавливается и подтверждается различными методами.
Наиболее эффективный из них – структурное дешифрирование материалов аэрокосмической съемки в сопоставлении с геолого-геофизическими данными.
Не является исключением в этом плане и территория Беларуси, где по материалам космических съемок установлены разнопорядковые линейные структуры (линеаменты), отражающие особенности разломной тектоники. Характерная черта суперрегиональных линеаментов - их связь с глубинными (мантийными) разломами, активно проявившимися в различное геологическое время. Наиболее отчетливо на космических снимках выражены линеаменты, сопоставляемые с разломами, образованные в условиях растяжения земной коры шириной от 10 до 50 километров [16]. Повышенной трещиноватостью и проницаемостью коры, мобильностью проявления геодинамических процессов отличаются участки пересечения линеаментов.
Установлено, что зоны разломов земной коры оказывают большое влияние на жизнедеятельность человека. Количество аварий на автодорогах выше в тех местах, где трассу пересекают системы разломов (геопатогенные зоны), а процент онкологических заболеваний оказался большим у людей, проживающих в населенных пунктах, расположенных вблизи суперрегиональных разрывных нарушений.
Ураганы и смерчи прошлых лет были направлены преимущественно вдоль новейших геодинамических зон земной коры и аномалий магнитного и гравитационного полей Земли [29].
На основе информации, представленной, в частности, источниками [2,29], была сформулирована цель настоящего исследования: оценить влияния природных и связанных с ними антропогенных факторов, действующих в зонах разломов земной коры, на различные аспекты жизнедеятельности человека.
Поскольку такое влияние априори является многофакторным, а информация о действии ряда факторов часто носит не точный количественный, а категорийно-качественный характер («есть – нет», «нет – мало – много», «слабый – умеренный – выраженный» и т.п.), для его оценки требуется использование соответствующих методов, позволяющих получить количественную оценку значимости влияния факторов, действие которых оценивается в качественном виде. К такого рода методам можно отнести методы оценки корреляции сопряженных признаков, используемые для обработки категоризованных данных:
метод логарифмов преобладания [3,40] и метод приращения информации [40]. Очевидно, что для эффективной работы с подобными методами безусловно необходимо адекватное разделение исследуемых объектов на соответствующие категории (категоризация данных). Т.к.
информация в данном случае носит пространственный характер, то и деление объектов на категории должно производиться в соответствии с их пространственными свойствами – атрибутами. Для такого процесса целесообразным представляется применение технологии географических информационных систем, реализующей широкий спектр функций обработки пространственно-распределенных данных.
Объектом исследования являлся фрагмент поверхности Земли, ограниченный территорией Воложинского и Столбцовского районов Минской области Республики Беларусь. Для создания и анализа растровых и векторных пространственных моделей использовались стандартные средства вычислительной техники и программный комплекс ArcView GIS 3.2a с Модулями расширения ImageWarp и РАСТР Профи. Топографической основой для моделирования служили карты местности масштаба 1 : 100 000 1986 г. издания (листы N-35-65, N-35N-35-67, N-35-77, N-35-78, N-35-79, N-35-89, N-35-90, N-35-91) (рис. 1.1), карта загрязнения территории РБ цезием-137 по состоянию на 1995 год масштаба 1 : 1 000 000 (рис. 1.2) и карта-схема линеаментов и кольцевых структур Беларуси по данным космических съемок (рис. 1.3) [16].
Ранее в ходе исследований был установлен ряд населенных пунктов, находящихся в зоне энергетической активности литосферы, расположенной на территории Воложинского и Столбцовского районов Минской области (так называемой Ивенецко-Першайской зоны) [29].
В частности, установлено, что непосредственно в зонах над разломами земной коры расположены 22 населенных пункта, в зоне между разломами – 30 населенных пунктов, в том числе 21 – на территории, загрязненной радионуклидами 137Cs, в качестве контрольных были отобраны 15 населенных пунктов, расположенных вне зон, находящихся над разломами и между ними. Учитывая, что на территории Воложинского района расположены свыше 400 населенных пунктов, а Столбцовского – свыше 250, точность оценки можно значительно повысить путем расширения списка исследуемых населенных пунктов в целях получения дополнительной информации.
Рис. 1.1. Фрагмент карты местности. Масштаб 1 : 100 000, 1986 г.
Данная задача решалась с использованием инструментальных средств среды ArcView GIS и модулей РАСТР Профи и ImageWarp.
Средствами ArcView GIS было проведено геокодирование административных границ Воложинского и Столбцовского районов и населенных пунктов, расположенных на территории этих районов, на топографической основе карты масштаба 1 : 100 000 (рис.1.4). Затем инструментальными средствами модулей РАСТР Профи и ImageWarp были осуществлены преобразование масштабов и привязка растровых и векторных тематических слоёв (векторные слои административных границ и населенных пунктов, растровые изображения карты-схемы линеаментов РБ и карты загрязнения территории РБ цезием-137) для построения комбинированной пространственной модели.
Рис. 1.2. Карта загрязнения территории РБ цезием-137 по состоянию на 1995 год.
Средствами формирования запросов к базе данных ArcView GIS были сформированы векторные тематические слои, включающие установленные ранее населенные пункты, расположенные на территориях, находящихся над разломами, образующими исследуемую зону, внутри зоны (с радионуклидным загрязнением и без него) и вне ее.
Визуализация данной информации и анализ полученной пространственной модели (рис. 1.5) позволил установить следующее.
1. Расположение и направление разломов, над которыми расположены установленные ранее населенные пункты практически полностью соответствуют расположению и направлению фрагмента Украинско-Балтийского суперрегионального линеамента [16] (обозначен на рис. 1.5 а стрелками).
2. Территория, загрязненная радионуклидами 137Cs, соответствует территории, ограниченной разломами (рис. 1.5б).
3. Атрибутивная пространственная информация о населенных пунктах, расположенных как внутри изучаемой зоны (загрязненной радионуклидами цезия и «чистой»), так и вне ее, соответствует ранее полученным данным (рис. 1.5 в).
4. Территория Воложинского и Столбцовского районов, загрязненная радионуклидами 137Cs, расположена точно над фрагментом Украинско-Балтийского суперрегионального линеамента (рис. 1.5 а,б).
Рис. 1.3. карта-схема линеаментов и кольцевых структур Беларуси Рис. 1.4. Геокодирование административных границ и населенных пунктов Рис. 1.5. Преобразование масштабов и привязка пространственных моделей:
а – привязка пространственной информации к территории;
б – совмещение загрязненной территории с Ивенецко-Першайской С учетом полученной информации средствами ArcView GIS была проведена экстраполяция уже имеющихся данных на всю территорию Воложинского и Столбцовского районов с целью формирования тематических слоев данных, включающих все населенные пункты в этих районах, относящихся к определенным ранее категориям. Для этого линии разломов были продолжены до административных границ районов, и таким образом был расширен список населенных пунктов, расположенных над ними. Следовательно, был расширен и список населенных пунктов, расположенных в зоне между разломами. К категории населенных пунктов, расположенных на территории, загрязненной радионуклидами 137Cs были добавлены пункты, расположенные не только над Украинско-Балтийским суперрегиональным линеаментом (1 на рис. 1.6), но и над фрагментом локального линеамента (2 на рис.
1.6), находящегося на западе Воложинского района.
Следует отметить, что не все линеаменты, территориально связанные с Воложинским и Столбцовским районами, отмечены зонами загрязнения территории радионуклидами цезия (рис. 1.5б, 1.6). Причины данного явления могут быть установлены в ходе дополнительных исследований состояния и геофизических характеристик разломов.
Таким образом, в результате ряда пространственно-логических операций и анализа комбинированной пространственной модели, проведенных средствами технологии ГИС, осуществлена пространственно-атрибутивная категоризация информации для ее дальнейшего исследования. Населенные пункты Воложинского и Столбцовского районов разделены на ряд категорий по различным пространственным атрибутам: расположение над разломами земной коры, над зоной между разломами или вне ее; расположение на территории, загрязненной радионуклидами 137Cs, или на чистой территории; расположение над зоной суперрегионального или локального линеамента (рис. 1.7).
В таком представлении любые данные об объектах могут быть исследованы на предмет значимости влияния геофизических и других связанных с ними факторов посредством соответствующего математического инструментария.
Рис. 1.6. Геокодирование населенных пунктов на территориях, загрязненных радионуклидами 137Cs, в Воложинском и Столбцовском районах Исходя из вышеизложенного можно заключить, что использование метода пространственно-атрибутивной категоризации данных с использованием средств программного обеспечения, реализующего технологии географических информационных систем, позволяет получить новую информацию об объекте исследования. Полученная дополнительная информация обеспечит повышение адекватности и эффективности моделирования и достоверности оценок при анализе моделей.
Рис. 1.7. Пространственно-атрибутивная категоризация населенных пунктов 1.2. Интерполирование данных при анализе процессов, характеризующихся дефицитом информации Уровень заболеваемости злокачественными новообразованиями является одним из наиболее эффективных индикаторов экологической и геоэкологической ситуации. По результатам ряда наблюдений за состоянием здоровья населения, подвергшегося воздействию ионизирующих излучений в результате применения ядерного оружия и ядерных аварий, одним из наиболее очевидных отдаленных эффектов облучения является рост заболеваемости злокачественными новообразованиями различной локализации [2]. Эффекты облучения ионизирующими излучениями, вызывающие рост заболеваемости злокачественными новообразованиями, потенцируются, в частности, фактором химического загрязнения территорий. В литературных источниках также имеется информация о влиянии на данный процесс комплекса геофизических факторов, действующих в зонах расположения линеаментов – разломов земной коры [29].
Материалы исследований последних десятилетий свидетельствуют о том, что в земной коре континентального типа повсеместно наблюдается густая, построенная по решетчатому типу сеть субвертикальных разломов, дробящих земную кору на многочисленные блоки, размеры которых измеряются километрами или десятками километров [23].
«